胡敏，向兵飛，徐明，祝小軍，黃晶

（1.中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西，南昌330024 2.中航工業(yè)洪都，江西，南昌330024）

角度頭加工技術在航空結(jié)構件上的應用研究

胡敏1，向兵飛2，徐明2，祝小軍2，黃晶2

（1.中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西，南昌330024 2.中航工業(yè)洪都，江西，南昌330024）

角度頭能實現(xiàn)航空結(jié)構件復雜結(jié)構的加工，但其制造工藝、裝夾方案、后置處理、加工參數(shù)等與常規(guī)刀具加工方法存在較大差異。本文通過分析角度頭在復雜難加工結(jié)構中的應用優(yōu)勢，對其裝夾方案進行優(yōu)化改進，實現(xiàn)不同主軸結(jié)構尺寸的安裝，增強通用性。并通過角度頭后置處理中的坐標系、機床構型及運動分析，實現(xiàn)C-A構型機床空間回轉(zhuǎn)坐標變換的求解，同時，還開發(fā)了多構型機床的角度頭后置處理系統(tǒng)。以緣條深槽結(jié)構為例對角度頭加工技術進行驗證，結(jié)果表明，加工質(zhì)量和效率滿足結(jié)構件的制造要求，為復雜結(jié)構件的制造提供了新的方法，且已在航空制造企業(yè)得到應用。

飛機結(jié)構件；角度頭；裝夾優(yōu)化；后置處理；數(shù)控加工

角度頭（Angle Head）是數(shù)控加工中連接數(shù)控機床主軸和刀具的一種特殊刀柄，可以實現(xiàn)飛機復雜結(jié)構件的一次性裝夾多工序加工[1,2]。在航空結(jié)構件數(shù)控加工過程中，機床安裝角度頭后刀具旋轉(zhuǎn)中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成角度加工工件，可以實現(xiàn)機床的立臥轉(zhuǎn)換和任意角度的變換，增大機床的加工范圍和適應性[3,4]，并能減少工件重復裝夾，提高加工精度和效率，可有效解決結(jié)構件側(cè)面孔、側(cè)面腔的加工，也可用于機床主軸擺角后可能與工裝或零件發(fā)生干涉的側(cè)面結(jié)構的加工。圖1為HSK-A63-AG90刀柄形式的角度頭。

圖1 HSK-A63-AG90刀柄形式的角度頭

本文針對航空結(jié)構件復雜結(jié)構形式，開展角度頭加工工藝技術、裝夾方案優(yōu)化、空間回轉(zhuǎn)坐標轉(zhuǎn)換和加工過程仿真技術研究，系統(tǒng)性的闡述了角度頭加工技術應用過程中的關鍵技術及應用方法。

1 角度頭加工技術應用分析

1.1 航空結(jié)構件難加工結(jié)構特征分析

相比傳統(tǒng)刀具加工方式，角度頭可有效解決狹窄區(qū)域、緣條深槽、側(cè)邊孔等結(jié)構的加工，避免復雜工裝訂制和工位變換。航空結(jié)構件中存在一些特征，若采用普通刀具易形成加工“死角”或需要對工裝進行訂制，采用傳統(tǒng)刀具加工方式，其數(shù)控加工難度大、效率低，質(zhì)量穩(wěn)定性差，如圖2所示的緣條深槽結(jié)構、緣條孔結(jié)構、狹窄區(qū)域孔結(jié)構、空間復雜結(jié)構等。其加工復雜程度主要體現(xiàn)為：整體框梁類零件上的緣條孔，用傳統(tǒng)方式需要借用Z向尺寸較大的工裝，成本高且機床需要大擺角，如A角擺動90°；零件內(nèi)形面上的凹槽特征，其解決方案與緣條孔相同，而內(nèi)形上的凹槽特征則采用傳統(tǒng)方式無法加工。對這些結(jié)構，傳統(tǒng)的加工方式往往需要訂制鉆孔模板通過鉗工來加工，或需要特殊的工裝，抑或是增加刀具、鉆孔的長度來避免干涉，這些情況都存在操作復雜、加工成本高及加工風險等問題。

1.2 航空結(jié)構件角度頭加工優(yōu)勢

對于側(cè)邊深槽、孔、狹窄區(qū)域結(jié)構或局部復雜結(jié)構，傳統(tǒng)加工工藝存在不足，采用能實現(xiàn)運動換向的角度頭刀柄能有效解決上述結(jié)構的加工。其特點和加工優(yōu)勢為：

1）角度頭刀柄特點。

（1）雖然與機床連接的接口與常規(guī)刀具接口一致，但角度頭安裝方式與常規(guī)刀具存在差異。首先，角度頭的刀具根據(jù)機床構型來確定安裝方向；其次，角度頭上的非轉(zhuǎn)動模塊需要與機床的主軸進行定位，以確定角度頭圍繞機床主軸的初始圓周方向。

圖2 典型難加工復雜結(jié)構

（2）首先，角度頭根據(jù)機床刀柄連接方式，配置了標準了接口，可適用于不同構型的機床。同一角度頭上可匹配不同種類的刀具實現(xiàn)鉆削、銑削、鏜削等加工；其次，角度頭能夠進行中低速切削，可滿足航空結(jié)構件鉆削、鏜削和中低速銑削等加工要求。

2）角度頭加工技術的應用優(yōu)勢。

在一次裝夾狀態(tài)下，使用常規(guī)加工方式和角度頭加工方式相結(jié)合，可以解決加工工藝中的難題或不需要訂制昂貴的專用工裝，其具體的加工優(yōu)勢為：

（1）根據(jù)角度頭結(jié)構尺寸判斷能否加工狹窄區(qū)域，如圖2（c）所示的槽腔結(jié)構側(cè)壁的孔結(jié)構，避免了傳統(tǒng)工藝訂制鉆模模板并手工鉆孔的工藝；

（2）大型結(jié)構件的側(cè)面孔或側(cè)面深槽可采用角度頭側(cè)面加工。角度頭的使用，可避免部分需要換裝的情況，避免復雜工裝的訂制，如圖2（a）和圖2（b）所示結(jié)構。

（3）可解決部分空間復雜結(jié)構的加工，如圖2（d）所示。

（4）角度頭可實現(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換，可避免機床大擺角加工，也可解決常規(guī)加工方式擺角超程時的加工問題。如傳統(tǒng)工藝A角擺動120°時機床超程，采用90°角度頭刀柄，機床主軸僅需擺動30°即可。

1.3 角度頭裝夾方案優(yōu)化

角度頭常規(guī)的安裝方式是在機床主軸固定端面制出安裝孔，然后將安裝基座通過螺栓連接固定在機床主軸端面，再將角度頭非轉(zhuǎn)動模塊與安裝基座進行配合。此種安裝方法存在一些不足：

2）安裝基座與主軸端面的配合需要在機床主軸端面制孔，安裝完成后需要對機床進行精度校準。

針對上述不足，本文對安裝方案進行了改進和優(yōu)化，可滿足同一安裝基座適用于多種不同結(jié)構的機床，安裝基座數(shù)量大量減少，通用性強，且不需在機床端面制孔。其安裝示意圖如圖3所示。

圖3 角度頭與機床主軸安裝示意

對其安裝基座和安裝方法進行改進，增加調(diào)整墊塊，增強通用性。改進后的角度頭裝夾方案如下：

1）取消安裝基座與主軸端面的直接螺栓連接，改為過渡連接，避免了機床主軸端面制孔，并增強通用性。具體方法為：首先，選取機床主軸端面已有的螺栓連接孔，按照孔距和孔徑設計調(diào)整墊塊，將調(diào)整墊塊通過已有的安裝螺釘孔與機床主軸端面連接；然后，將安裝基座與調(diào)整墊塊通過螺栓連接，并設計兩個定位銷，用于兩者間的定位；最后，將角度頭上的非轉(zhuǎn)動模塊與安裝基座的裝配面配合完成安裝。

2）根據(jù)機床主軸結(jié)構尺寸，選取通用性較強的安裝基座高度尺寸作為通用尺寸，并保證安裝基座和調(diào)整墊塊的剛性。調(diào)整墊塊為鋁合金結(jié)構件，不需做特殊處理，僅需加工安裝孔，制造簡單。根據(jù)機床主軸的不同尺寸配置調(diào)整墊塊即可實現(xiàn)少量安裝基座適用于大量機床的應用，通用性強。

2 角度頭雙擺動機床后置處理建模

2.1 角度頭雙擺頭機床空間回轉(zhuǎn)坐標變換

五軸聯(lián)動機床采用角度頭刀柄進行加工時，需要相應的平動軸數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)動軸數(shù)據(jù)來驅(qū)動機床部件的運動。由于角度頭的特征，使用角度頭進行結(jié)構件加工時的后置處理空間坐標轉(zhuǎn)換要比常規(guī)后置處理困難。以C-A雙擺頭結(jié)構機床為例進行角度頭雙擺頭機床空間回轉(zhuǎn)坐標變換的求解，如圖4所示為該結(jié)構機床模型和運動鏈構成。由于平移矩陣連乘與平移順序無關，其運動建?？蓺w為如下方法[3]。

圖4 C-A結(jié)構機床模型和運動鏈構成

為描述機床的運動，建立圖5所示坐標系統(tǒng)，其中坐標系OmXmYmZm與定軸C固聯(lián)的坐標系，其原點Om為兩回轉(zhuǎn)軸的交點，其坐標軸方向與機床坐標系一致。坐標系OwXwYwZw坐標系為加工坐標系，前置刀位數(shù)據(jù)基于該坐標系而生成。OtXtYtZt為刀具坐標系，其原點為刀具中心。

如圖5所示為機床初始狀態(tài)，工件坐標系方向與機床坐標系方向一致，刀具坐標系與工件坐標系原點重合。設回轉(zhuǎn)軸交點Om到刀具坐標系原點Ot的距離為L，記機床平動軸相對于初始狀態(tài)的位置為rs(sx,sy,sz)。回轉(zhuǎn)軸A、C相對于初始狀態(tài)的角度為θA和θC，角度逆時針方向為正。此時，工件坐標系中刀軸矢量為u(ux,uy,uz)。由機床運動鏈進行坐標變換，可得：

式中T和R分別為平移和回轉(zhuǎn)運動的齊次坐標變換矩陣，其中T1為機床回轉(zhuǎn)坐標系相對于加工坐標系的平移坐標變換，T2為刀具坐標系相對于機床回轉(zhuǎn)坐標系的平移坐標變換，rs為機床平動軸相對于初始狀態(tài)的位置矢量，rm為機床旋轉(zhuǎn)軸相對于刀具坐標系的位置矢量。

圖5 帶角度頭的C-A結(jié)構機床坐標系統(tǒng)

根據(jù)Denavit和Hartenbeng提出的4×4齊次矩陣的空間轉(zhuǎn)換表示，將T和R帶入公式（1）～（4），可得：

由式（5）可得90°角度頭的擺角求解結(jié)果：

由式（7）可得：θC的解不唯一，根據(jù)刀軸矢量可得：

2.2 角度頭的RTCP點位設置

常規(guī)刀具通常將RTCP點設為刀具中心點，將角度頭刀柄的RTCP點設置在角度頭刀柄上的刀具旋轉(zhuǎn)軸線與機床主軸線的交點，如圖6所示。后置處理中的程序點位輸出作如下變換：

圖6 角度頭的RTCP點位設置

3 角度頭加工技術應用示例

以圖2（a）所示的側(cè)面深槽結(jié)構為例說明角度頭加工技術的應用。該深槽為緣條通槽，深138mm，寬15mm，槽中心距離零件最低面為30mm。若采用傳統(tǒng)加工方法，則采用直徑為12mm長度大于等于140mm的銑刀進行粗精加工，機床A軸擺動90°才能進行側(cè)邊緣條深槽加工，未訂制Z方向行程較大的專用工裝，因此不能采用傳統(tǒng)加工方式加工。其次，采用的刀具長徑比達到11.67，未對該長徑比尺寸的刀具進行切削試驗，無可參考的切削參數(shù)。

采用角度頭加工技術解決該結(jié)構的加工時，具體方案為：采用直徑為12mm長度為70mm的刀具對緣條深槽兩側(cè)對接加工完成，既避免專用工裝訂制，加工效率和加工精度也能得到保證。為了得到角度頭加工程序，需要經(jīng)過后置處理和加工仿真驗證。

3.1 角度頭加工后置處理的實現(xiàn)

根據(jù)角度頭后置處理運動模型計算結(jié)果，采用Visual Studio開發(fā)環(huán)境及VB語言進行Windows應用程序開發(fā)后置處理工具。重點是解決機床奇異點，即同一位置的多值問題。與常規(guī)刀具后置不同，角度頭刀柄上的刀具，機床不能對其進行補償，后置處理時需要根據(jù)實際刀長值進行后置。開發(fā)的后置處理系統(tǒng)運行示例如圖7所示，將實際刀具長度D輸入系統(tǒng)，加載刀位軌跡文件，選擇機床，執(zhí)行后置處理操作，即可完成角度頭加工程序的后置。

圖7 角度頭加工后置處理系統(tǒng)運行示例

后置完成后生成的G代碼示例如下：

3.2 角度頭加工過程仿真

角度頭的使用可以看成是在機床主軸上增加了一個附屬機構，為保證角度頭在實際加工中使用的正確性，必須對角度頭的加工過程進行仿真。角度頭加工過程仿真，主要是檢查角度頭機構與工件的干涉情況以及角度頭加工軌跡的正確性[7-9]。如圖8所示為角度頭加工仿真配置及運行示例。圖8（a）為建立的角度頭仿真刀具模型庫，圖8（b）為采用C-A雙擺頭機床和角度頭對圖2（a）所示的緣條深槽結(jié)構的加工過程仿真示意及仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明，角度頭后置處理程序及應用滿足仿真要求。

圖8 角度頭加工仿真配置及運行示例

3.3 角度頭加工加工技術應用

將角度頭加工技術的研究成果應用于某結(jié)構件緣條深槽的實際加工，如圖2（a）所示。該結(jié)構外形為型面結(jié)構，外形精度要求較高，深槽位置精度要求± 0.2mm，采用直徑為12mm長度為70mm的刀具分粗精加工兩側(cè)對接完成。粗加工留余量0.5～1mm，精加工機床轉(zhuǎn)速S=4500～5500r/min，刀具每齒進給量f= 0.035～0.045，切深Ap≤1mm，采用斜線下刀或螺旋下刀，下刀角度A=2～5°。加工前以500r/min的轉(zhuǎn)速進行預熱，檢查角度頭夾持刀具的振動情況，保證振動幅值小于0.015mm。加工結(jié)果顯示，采用角度頭加工技術能有效解決該類結(jié)構的加工，加工效率和加工精度得到有效保證，無需訂制專用工裝。

4 結(jié)語

本文針對航空結(jié)構件的復雜結(jié)構，開展角度頭加工技術的應用研究，分析了航空結(jié)構件難加工結(jié)構及角度頭加工技術應用優(yōu)勢，對角度頭安裝方案進行設計和優(yōu)化，降低制造成本，增強機床通用性。還以C-A雙擺頭機床為例，建立了角度頭雙擺頭機床后置處理模型，并對空間角度變換進行求解，開發(fā)了多構型機床的角度頭后置處理系統(tǒng)。角度頭加工技術已在航空制造企業(yè)得到應用，解決了多項復雜結(jié)構件的加工難題，為復雜結(jié)構件的制造提供了新的方法。

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Study on Application of Angle Head for Machining Aviation Structural Parts

Hu Min1,Xiang Bingfei2,Xu Ming2,Zhu Xiaojun2,Huang Jing2
(1.Military Representative Office in Factory 320 of PLA,Nanchang,Jiangxi,330024;
2.AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

The angle head can be used to realize machining of aviation structural parts with complicated structure, compared with machining using common cutters there is great difference in the fabrication process,fixing way,post processing and machining data.The paper analyzes advantages in application to optimize and improve the fixing way,realize mounting of main spindle with different dimensions and enhance universality.The solving of space rotary coordinates conversion of C-A machine has been realized by analyzing the coordinates in the post-processing, machine configuration and movement,meanwhile,the angle head post-processing system of multi-configuration machine has been developed.The deep groove structure of edge strip is taken as an example to verify machining technology using angle head,the result shows the machining quality and efficiency can meet the manufacturing requirements of structural part.A new method to manufacture structural part with complicated structure is provided, which has been applied in the aviation manufacturing enterprise.

A/C structural part;angle head;fixation optimization;post processing;numerical control machining

2016-02-01）

“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項“國產(chǎn)高檔數(shù)控機床與數(shù)控系統(tǒng)在飛機筋肋梁等加工單元中的應用”（2013ZX04001-021）。

>>>作者簡介

胡敏，男，1979年出生，2001年畢業(yè)于南昌航空大學，工程師，現(xiàn)從事航空裝備質(zhì)量監(jiān)督和技術應用工作。

向兵飛，男，1986年3月出生，南京航空航天大學在讀博士研究生，工程師，現(xiàn)從事數(shù)控加工工藝技術工作。